Verdichter

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Verdichter 10 mit verstellbaren Leitschaufeln 14, bei denen das Schaufelblatt 28 der Leitschaufel 14 durch den Strömungskanal 20 dem Verdichter 10 entnehmbar ist. Um dies zu erreichen wird vorgeschlagen, dass der im Gehäuse 16 zur drehbaren Lagerung der Leitschaufel 14 erforderliche Zapfen 38 vom Schaufelblatt 28 lösbar ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Verdichter mit einem einen ringförmigen Strömungskanal radial außen begrenzenden Gehäuse, in dem sich radial durch den Strömungskanal erstreckende Leitschaufeln eines Leitschaufelkranzes drehgelagert gehaltert sind.

[0002] Axial durchströmte Verdichter von stationären Gasturbinen mit verstellbaren Einlassleitschaufeln sind aus dem Stand der Technik in umfangreicher Art und Weise bekannt. Die verstellbaren Einlassleitschaufeln umfassen ein Schaufelblatt, welches an einem kreisrunden Teller angeordnet ist. Der Teller bildet die Plattform der Verdichterschaufel. An der Rückseite des Tellers ist ein Zapfen vorgesehen. Der Zapfen dient als Antriebswelle, um die Einlassleitschaufel des Verdichters um ihre Längsachse zu drehen bzw. zu schwenken. Zur Aufnahme des Zapfens sind im Gehäuse des Verdichters Bohrungen vorgesehen, die für jeden Leitschaufelkranz in einer Ebene senkrecht zur Maschinenachse des Axialverdichters liegen und sich jeweils in Radialrichtung erstrecken, bezogen auf die Maschinenachse. Die Zapfen durchdringen die Bohrungen, so dass gehäuseaußenseitig an jedem Zapfen ein Hebel befestigt ist, mit welchem die Drehbewegung der Verdichterschaufel bewirkt werden kann. Zumeist ist dafür ein sogenannter Verstellring an den Hebeln angelenkt, wodurch eine Drehbewegung des Verstellrings in Umfangsrichtung in eine Drehung des Zapfens um seine Längsachse umgewandelt wird. Dabei ist es bekannt, auch freistehende Leitschaufeln als verstellbare Leitschaufeln zu verwenden.

[0003] Es hat sich herausgestellt, dass es wünschenswert ist, einzelne Leitschaufeln tauschen zu können. Derzeit muss bei hälftig geteilten Gehäusen von axial durchströmten, zur Energieerzeugung vorgesehenen Gasturbinen, die obere Gehäusehälfte abgehoben werden. Erst danach kann die Leitschaufel der Bohrung entnommen werden. Diese Methode ist jedoch vergleichsweise zeitaufwendig und führt somit zu großen Stillstandszeiten, die die Verfügbarkeit der Gasturbine reduzieren.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines zuverlässigen Verdichters mit verstellbaren Leitschaufeln, deren Demontage- und Montagedauer im Wartungsfall verkürzt sind.

[0005] Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit einem Verdichter gelöst, welcher ein einen ringförmigen Strömungskanal radial außen begrenzendes Gehäuse aufweist, in dem sich radial durch den Strömungskanal erstreckende Leitschaufeln eines Leitschaufelkranzes drehgelagert gehaltert sind, wobei zur Drehung jeder Leitschaufel ein sich durch das Gehäuse erstreckender Zapfen vorgesehen ist, dessen erstes Ende mit der Leitschaufel verbunden ist, wobei die Verbindung zwischen der Leitschaufel und dem betreffenden Zapfen lösbar ist.

[0006] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass, wenn Leitschaufel und Zapfen nicht einstückig ausgebildet sind, sondern voneinander lösbar sind, das Schaufelblatt samt Plattform durch den Strömungskanal des Verdichters entnehmbar ist, ohne dass dafür das Gehäuseoberteil des Verdichters abgehoben werden muss. Nach Entnahme der Leitschaufel verbleibt der zugehörige Zapfen in seiner Bohrung. Diese Art der Demontage der verstellbaren Leitschaufel spart in erheblichem Umfang Montageaufwand, was die Stillstandszeit des Verdichters beziehungsweise einer mit einem solchen Verdichter ausgestatteten Gasturbine signifikant verringert. Ein weiterer, großer Vorteil liegt darin, dass die Leitschaufel dabei nur einseitig, d. h. gehäuseseitig gelagert ist und somit eine definierte radiale Position aufweist. Die der freistehenden Schaufelspitze gegenüberliegende Wand des Rotors dient dann ausschließlich zur inneren Begrenzung des ringförmigen Strömungskanals und wird somit nicht mehr zur Aufnahme von nabenseitigen Leitschaufelzapfen benötigt, die ansonsten bei nicht freistehenden Leitschaufeln in einen Innenring gelagert waren.

[0007] Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0008] Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung weist die betreffende Leitschaufel gehäuseseitig eine Plattform auf, welche durch einen Konusverbindung mit dem Zapfen verbunden ist. Vorzugsweise ist an einer ersten Seite der Plattform ein sich quer erstreckendes aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt und an einer zweiten dem Schaufelblatt abgewandten Seite ein Kegelstumpf angeordnet, welcher Kegelstumpf in einem am ersten Ende des Zapfens angeordneten konischen Aufnahme verspannt sitzt. Durch die Verwendung einer Konusverbindung wird gewährleistet, dass das Schaufelblatt der Leitschaufel in konzentrischer Verlängerung der Zapfenachse angeordnet ist. Es wird somit eine zentrische Verbindung angegeben, die etwaige montagebedingte Fehl- oder Schrägstellungen des Schaufelblatts gegenüber der Zapfenachse größtmöglich vermeidet. Dies erhöht die Genauigkeit der Konstruktion und vermeidet aerodynamische Verluste beim Betrieb des Verdichters. Auch werden somit in der Strömung über den Umfang verteilte Ungleichmäßigkeiten weitestgehend vermieden, die bei Fehlstellungen auftreten können. Als Verbindung zwischen Zapfen und Leitschaufel wird die Konusverbindung bevorzugt. Jedoch ist es auch möglich, anstelle der Konusverbindung eine Zapfen-Buchse-Verbindung zu verwenden.

[0009] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich längs durch den betreffenden Zapfen eine in den Kegelstumpf eingeschraubte Spannschraube. Der Zapfen ist somit als hohle Welle ausgebildet. Die Spannschraube weist dabei einen Schraubenkopf auf, welcher sich am zweiten Ende des Zapfens abstützen kann, wodurch beim Spannen der Spannschraube der Kegelstumpf in die konische Aufnahme des Zapfens hineingezogen wird. Hiermit ist eine vergleichsweise einfache Konstruktion möglich, bei der von außen die Verbindung zwischen Zapfen und Leitschaufel hergestellt und gelöst werden kann. Bei geschlossenem Gehäuse ist dann lediglich erforderlich, dass ein im Strömungskanal befindlicher Monteur die Leitschaufel hält und in Empfang nimmt, während ein zweiter Monteur die entsprechende Spannschraube löst.

[0010] Um in Bezug auf die Maschinenachse des Verdichters die radiale Position der Leitschaufel einzustellen zu können, ist jeweils eine verstellbare Lagereinheit am Gehäuse vorgesehen, welche den betreffenden Zapfen lagert. Die verstellbare Lagereinheit kann auch selbstverständlich dann verwendet werden, wenn Leitschaufel und Zapfen nicht modular ausgestaltet sind, sondern monolithisch. Durch die verstellbare Lagereinheit kann der Spalt zwischen innerer Begrenzungswand des Ringkanals und Schaufelblattspitze auf das gewünschte Maß eingestellt werden. Das Anstreifen der Schaufelblattspitze am Rotor kann somit vermieden werden. Sofern das Schaufelblatt ein Profil aufweist, welches über den Plattformrand hinausragt, kann mit der verstellbaren Lagereinheit gleichzeitig auch der gehäuseseitige Radialspalt zwischen überstehendem Schaufelblatt und Gehäuse eingestellt werden.

[0011] Vorzugsweise sind die Plattformen der Leitschaufeln jeweils an einer ringförmigen, gegenüber der Strömungskanaloberfläche entsprechend zurückspringenden Anspiegelungsfläche versenkt angeordnet. Dies ermöglicht eine nahezu stufenlose und kantenfreie Strömungspfadbegrenzungsfläche, die dadurch sehr windschlüpfrig ist. Aerodynamische Verluste können somit weitestgehend vermieden werden.

[0012] Vorzugsweise ist bei allen Leitschaufeln die Verbindung mit dem betreffenden Zapfen lösbar. Zweckmäßigerweise sind die drehbaren Leitschaufeln als freistehende Leitschaufeln ausgebildet, so dass beim Lösen der Verbindung zwischen Zapfen und Leitschaufel diese lediglich leicht gekippt werden müssen, um sie ihrer Betriebslage zu entnehmen.

[0013] Eine einfache Entnahme der verdrehbaren Leitschaufeln ist insbesondere dann möglich, wenn diese als Einlassleitschaufeln des Verdichters ausgebildet sind. In diesem Fall sind stromauf der Einlassleitschaufeln keine weiteren Schaufeln angeordnet, was den Zugang für einen Monteur erleichtert. Zweckmäßigerweise weist eine stationäre Gasturbine einen Verdichter vorgenannter Art auf.

[0014] Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigt:

[0015] die einzige Figur einen Längsschnitt durch einen Ausschnitt eines Axialverdichters.

[0016] Die einzige Figur zeigt einen Längsschnitt durch einen Verdichter 10 axialer Bauart, im Abschnitt seiner um ihre jeweilige Längsachse 52 drehbaren Einlassleitschaufeln 12. Die gezeigte Einlassleitschaufel 12 steht stellvertretend für jegliche um ihre Längsachse verstellbaren Leitschaufeln 14 eines Verdichters 10. Der Verdichter 10 umfasst ein sowohl axial als auch in Umfangsrichtung geteiltes Gehäuse 16. Das Gehäuse 16 umgreift die Maschinenachse 18 des Verdichters 10, entlang welcher sich ein ringförmiger Strömungskanal 20 erstreckt. Radial außen begrenzt die nach innen gewandte Fläche 22 des Gehäuses 16 den Strömungskanal 20. Radial innen wird der Strömungskanal 20 von der äußeren Mantelfläche 24 eines Verdichterrotors 26 begrenzt. Der Verdichterrotor 26 ist um die Maschinenachse 18 drehbar. Die Leitschaufel 14 ist ohne kopfseitige Plattform ausgebildet, so dass deren freistehende Schaufelblattspitze 30 der Mantelfläche 24 radialspaltbildend gegenüber liegt. Am radial äußeren, gehäuseseitigen Ende des aerodynamisch gekrümmten Schaufelblatts 28 ist eine kreisrunde Plattform 32 in Form eines Tellers vorgesehen, wobei Plattform 32 und Schaufelblatt 28 eine monolithische Einheit bilden. Die Plattform umfasst an ihrer dem Schaufelblatt 28 abgewandten Seite 34 einen Kegelstumpf 36. An dem Kegelstumpf 36 liegt ein Zapfen 38 mit seinem ersten Ende 40 an. Dazu ist am ersten Ende 40 stirnseitig eine konische Aufnahme 41 (Konus) vorgesehen. Der Zapfen 38 erstreckt sich durch eine im Gehäuse 16 angeordnete Bohrung 42, so dass das zweite Ende 44 des Zapfens 38 aus dem Gehäuse 16 ragt. Am zweiten Ende 44 ist ein Hebel 46 angeordnet, an den ein nicht dargestellter Verstellring angelenkt ist. Der Zapfen 38 ist hohl ausgebildet, so dass sich durch ihn eine Spannschraube 48 erstreckt. Die Spannschraube 48 weist einen Schraubenkopf 50 auf, der sich am zweiten Ende 44 des Zapfens 38 abstützt. Die Spannschraube 48 ist gleichzeitig in ein im Kegelstumpf 36 vorgesehenes Gewindeloch 49 eingeschraubt, wodurch der Kegelstumpf 36 in der am ersten Ende 40 angeordneten konischen Aufnahme 41 vorgespannt sitzt. Der Zapfen 38 ist in der Bohrung 42 drehbar gelagert, so dass der Zapfen 38 und die daran befestigte Leitschaufel 14 um deren gemeinsame Längsachse 52 einheitlich drehbar bzw. schwenkbar sind.

[0017] An der äußeren Seite des Gehäuses 16 ist eine verstellbare Lagereinheit 54 für den Zapfen 38 vorgesehen, mit dem dessen radiale Position und somit auch die radiale Position der Leitschaufel 14 vorgegeben werden kann. Es handelt sich dabei um ein Festlager mit radialer Einstellung. Gleichzeitig ist die Plattform 32 an einer Anspiegelungsfläche 35 in Form eines Loslagers 56 versenkt angeordnet.

[0018] Zur Demontage der Leitschaufel 14 muss lediglich die Spannschraube 48 gelöst und aus dem Kegelstumpf 36 ausgeschraubt werden. Dann ist ein im Strömungskanal 20 befindlicher Monteur in der Lage, die Leitschaufel 14 dem Verdichter 10 zu entnehmen. Dazu muss der Monteur die Schaufelblattspitze 30 in Axialrichtung - hier nach links -schwenken, womit der fußseitige, d. h. plattformseitige Teil der Leitschaufel 14 sich von der Anspiegelungsfläche 35 löst. Anschließend ist die Leitschaufel 14 dem Verdichter 10 durch den Strömungskanal 20 entnehmbar. Das Abdecken des Gehäuseoberteils ist zur Demontage der Leitschaufel 14 somit nicht mehr erforderlich. Selbstverständlich müssen Schaufelblatt 28 und Plattform 32 nicht als monolithische Einheit ausgebildet sein. Sie können auch separat voneinander gefertigt sein. In dieser Ausführungsform weist die Plattform 32 samt Kegelstumpf 36 anstelle des Gewindelochs 49 eine Durchgangsbohrung auf, durch die sich die Spannschraube 48 erstreckt. Die Spannschraube 48 ist dann in ein am Schaufelblatt 28 angeordnetes Gewindeloch eingeschraubt, so dass zwischen Schraubenkopf 50 und Schaufelblatt 28 sowohl der Zapfen 38 als auch die Plattform 32 verspannt sind. Unabhängig davon muss die Plattform 32 nicht zwingend eine kreisrunde Form aufweisen. Andere Konturen sind ebenfalls möglich.

[0019] Ebenso ist eine weitere Ausführungsform vorstellbar, bei der das Schaufelblatt 28 ohne Zwischenschaltung einer Plattform am Zapfen 38 angeordnet ist.

[0020] Insgesamt wird mit der Erfindung ein Verdichter 10 mit verstellbaren Leitschaufeln 14 angegeben, bei denen das Schaufelblatt 28 der Leitschaufel 14 durch den Strömungskanal 20 dem Verdichter 10 entnehmbar ist. Um dies zu erreichen wird vorgeschlagen, dass der im Gehäuse 16 zur drehbaren Lagerung der Leitschaufel 14 erforderliche Zapfen 38 vom Schaufelblatt 28 lösbar ist.

Ansprüche

1. Verdichter (10),
mit einem einen ringförmigen Strömungskanal (20) radial außen begrenzenden Gehäuse (16), in dem sich radial durch den Strömungskanal (20) erstreckende Leitschaufeln (14) eines Leitschaufelkranzes drehgelagert gehaltert sind, wobei zur Drehung jeder Leitschaufel (14) ein sich durch das Gehäuse (16) erstreckender Zapfen (38) vorgesehen ist, dessen erstes Ende (40) mit der Leitschaufel (14) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei zumindest einer der Leitschaufeln (14) die Verbindung mit dem betreffenden Zapfen (38) lösbar ist.

2. Verdichter (10) nach Anspruch 1,
bei dem die betreffende Leitschaufel (14) gehäuseseitig eine Plattform (32) aufweist, welche durch eine Konusverbindung mit dem Zapfen (38) verbunden ist.

3. Verdichter (10) nach Anspruch 2,
bei der an einer ersten Seite der Plattform (32) ein sich dazu quer erstreckendes aerodynamisch gekrümmtes Schaufelblatt (28) und an einer zweiten, dem Schaufelblatt abgewandten Seite (34) ein Kegelstumpf (36) angeordnet ist, welcher Kegelstumpf (36) in einem am ersten Ende (40) des Zapfens (38) angeordneten konischen Aufnahme (41) sitzt.

4. Verdichter (10) nach Anspruch 3,
bei dem sich längs durch den betreffende Zapfen (38) eine in den Kegelstumpf (36) eingeschraubte Spannschraube (48) erstreckt.

5. Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Zapfen (38) im Gehäuse (16) - bezogen auf die Maschinenachse (18) - radial verlagerbar ist.

6. Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Plattformen (32) der Leitschaufeln (14) jeweils an einer ringförmigen, gegenüber der Strömungskanaloberfläche entsprechend zurückspringenden Anspiegelungsfläche (35) versenkt angeordnet sind.

7. Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem bei allen Leitschaufeln (14) des betreffenden Leitschaufelkranzes die Verbindung mit dem betreffenden Zapfen (38) lösbar ist.

8. Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Leitschaufelkranz als Einlassleitschaufelkranz ausgebildet ist.

9. Stationäre Gasturbine mit einem Verdichter (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.

Zeichnung